RU2278815C1 - Method for producing quantum structures: quantum wires, quantum dots, components of quantum devices - Google Patents
Method for producing quantum structures: quantum wires, quantum dots, components of quantum devices Download PDFInfo
- Publication number
- RU2278815C1 RU2278815C1 RU2004133484/28A RU2004133484A RU2278815C1 RU 2278815 C1 RU2278815 C1 RU 2278815C1 RU 2004133484/28 A RU2004133484/28 A RU 2004133484/28A RU 2004133484 A RU2004133484 A RU 2004133484A RU 2278815 C1 RU2278815 C1 RU 2278815C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- film
- quantum
- substrate
- layer
- strained
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 title abstract description 31
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 67
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 35
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 2
- -1 wires Substances 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 104
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 99
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 24
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 22
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 22
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 21
- 230000008569 process Effects 0.000 description 13
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 11
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 9
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 9
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 8
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 7
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 6
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 5
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 4
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 4
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 3
- QPJSUIGXIBEQAC-UHFFFAOYSA-N n-(2,4-dichloro-5-propan-2-yloxyphenyl)acetamide Chemical compound CC(C)OC1=CC(NC(C)=O)=C(Cl)C=C1Cl QPJSUIGXIBEQAC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 230000005476 size effect Effects 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonium chloride Substances [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005540 GaP Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 description 1
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Recrystallisation Techniques (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к микроэлектронике, наноэлектронике, полупроводниковой технике, к способам изготовления полупроводниковых приборов и приборов на твердом теле или их частей, а именно к способам изготовления элементов квантовых приборов, структур с квантовыми эффектами.The invention relates to microelectronics, nanoelectronics, semiconductor technology, to methods for manufacturing semiconductor devices and devices on a solid body or parts thereof, and in particular to methods for manufacturing elements of quantum devices, structures with quantum effects.
Прецизионное наноструктурирование является нерешенной ключевой проблемой нанотехнологии. Достижение прецизионных размеров в квантовых приборах необходимо как для организации массового производства, так и для правильного функционирования приборов, поскольку процессы туннелирования, размерное квантование и т.д. строго зависят от размеров элементов приборов и расстояний между ними.Precision nanostructuring is an unresolved key problem in nanotechnology. Achieving precision dimensions in quantum devices is necessary both for the organization of mass production and for the proper functioning of devices, since tunneling processes, dimensional quantization, etc. strictly depend on the size of the elements of the devices and the distances between them.
Изучение квантово-размерных структур представляет собой большой интерес как с практической, так и с теоретической точек зрения. Впервые квантовые размерные эффекты в полупроводниковых структурах были продемонстрированы в 70-х годах на так называемых "квантовых ямах" (R.Dingle, W.Wiegmann, and C.H.Henry, Phys. Rev. Lett. 33, 827, 1974): структурах, состоящих из тонкой эпитаксиальной пленки полупроводникового материала с меньшей шириной запрещенной зоны, находящейся между двумя слоями полупроводника с большей шириной запрещенной зоны. Если толщина пленки сравнима с де-бройлевской длиной волны носителей заряда, то движение носителей заряда в направлении, перпендикулярном пленке, строго квантовано. Квантово-размерные структуры можно классифицировать по числу измерений, движение носителей в которых ограничено и квантовано. Это двухмерные структуры (квантовые ямы), одномерные структуры (квантовые проволоки), нульмерные структуры (квантовые точки, нанокластеры, нанокристаллиты). В настоящее время во многих институтах и лабораториях ведутся активные исследования как раз в области нульмерных структур, поскольку именно в квантовых точках квантовые размерные эффекты проявляются особенно сильно. Кроме того, квантовые точки могут послужить основой для создания новых полупроводниковых и оптоэлектронных приборов. Более того, появляется возможность контролировать длину волны оптического излучения, используя квантовые точки с большим или меньшим диаметром. Следует отметить, что по сей день на пути тонких экспериментальных исследований и конструирования приборов на основе квантовых точек встают, в основном, технологические трудности.The study of quantum-dimensional structures is of great interest from both a practical and a theoretical point of view. Quantum size effects in semiconductor structures were first demonstrated in the 70s on so-called “quantum wells” (R. Dingle, W. Wiegmann, and CH Henry, Phys. Rev. Lett. 33, 827, 1974): structures consisting from a thin epitaxial film of a semiconductor material with a smaller band gap located between two layers of a semiconductor with a larger band gap. If the film thickness is comparable to the De Broglie wavelength of the charge carriers, then the motion of the charge carriers in the direction perpendicular to the film is strictly quantized. Quantum-dimensional structures can be classified by the number of dimensions in which the motion of carriers in which is limited and quantized. These are two-dimensional structures (quantum wells), one-dimensional structures (quantum wires), zero-dimensional structures (quantum dots, nanoclusters, nanocrystallites). Currently, many institutes and laboratories are actively conducting research in the field of zero-dimensional structures, since it is at quantum dots that quantum size effects are especially pronounced. In addition, quantum dots can serve as the basis for the creation of new semiconductor and optoelectronic devices. Moreover, it becomes possible to control the wavelength of optical radiation using quantum dots with a larger or smaller diameter. It should be noted that to this day, technological difficulties are getting in the way of subtle experimental research and designing devices based on quantum dots.
Исторически первый способ изготовления квантовых точек был осуществлен Ридом с соавторами (Reed M.A., Bate R.T., Bradshaw К., Dunkan W.M., Frensley W.M., Lee J.W., Smith H.D. "Spatial quantization in GaAs-AlGaAs multiple quantum dots", Journal Vacuum Science Technology B, 4, 358, 1986) с помощью электронной литографии и последующего вытравливания наноразмерных структур в гетероструктуре, содержащей двумерный электронный газ. То есть из пленочной гетероструктуры с квантовой ямой удаляют большую часть, оставляя фрагменты в виде точек - фрагменты квантовой ямы. Недостатком метода является то, что получаются квантовые точки относительно больших размеров, так как размер ограничивается возможностями литографии.Historically, the first method for making quantum dots was carried out by Reed et al. (Reed MA, Bate RT, Bradshaw K., Dunkan WM, Frensley WM, Lee JW, Smith HD "Spatial quantization in GaAs-AlGaAs multiple quantum dots", Journal Vacuum Science Technology B 4, 358, 1986) using electron lithography and subsequent etching of nanoscale structures in a heterostructure containing a two-dimensional electron gas. That is, a large part is removed from the film heterostructure with a quantum well, leaving fragments in the form of dots - fragments of a quantum well. The disadvantage of this method is that quantum dots of relatively large sizes are obtained, since the size is limited by the capabilities of lithography.
Известен метод, включающий создание пространственно модулированного электрического поля, которое локализует электроны в маленьких точечных областях пленки. Это возможно путем создания (с помощью литографии) массива миниатюрных электродов (барьеров Шоттки) на поверхности пленки с квантовой ямой. Прикладывая соответствующее напряжение к электродам, получают пространственно модулированное электрическое поле, которое локализует электроны в маленьких областях (Hansen W., Smith T.P., Lee K.Y., Brum J.A., Knoedler C.M., Hong J.M., Kern D.P. "Zeeman bifurcation of quantum-dot spectra". Physical Review Letters 62, 2168, 1989). Также модуляция электрического потенциала может быть получена путем изготовления островков неметаллического материала на поверхности образца, и, таким образом, модуляция поля создается из-за модуляции расстояния до электрода. Основное преимущество квантовых точек, полученных с помощью модуляции электрического поля, в том, что границы точек, получаемых данным способом, гладкие и не имеют краевых дефектов, характерных для структур, полученных травлением. Однако размер получаемых квантовых структур ограничивается возможностями литографии и соответственно квантовые размерные эффекты проявляются только при очень низких температурах.A known method, including creating a spatially modulated electric field that localizes electrons in small point regions of the film. This is possible by creating (using lithography) an array of miniature electrodes (Schottky barriers) on the surface of a film with a quantum well. Applying the appropriate voltage to the electrodes, a spatially modulated electric field is obtained that localizes the electrons in small areas (Hansen W., Smith TP, Lee KY, Brum JA, Knoedler CM, Hong JM, Kern DP "Zeeman bifurcation of quantum-dot spectra". Physical Review Letters 62, 2168, 1989). Also, the modulation of the electric potential can be obtained by manufacturing islands of non-metallic material on the surface of the sample, and thus, the modulation of the field is created due to the modulation of the distance to the electrode. The main advantage of quantum dots obtained by modulating the electric field is that the boundaries of the dots obtained by this method are smooth and do not have edge defects characteristic of etched structures. However, the size of the resulting quantum structures is limited by the capabilities of lithography and, accordingly, quantum size effects appear only at very low temperatures.
Наиболее распространенным, совершенным и технологичным являются методы, основанные на самоформировании квантовых точек в процессе гетероэпитаксиального роста пленок с большим несоответствием постоянных решеток. При определенной критической толщине выращиваемой сжатой пленки происходит переход от двумерного роста к трехмерному (процесс Странского-Крастанова). Известен способ получения квантовых точек, выбранный прототипом (Petroff P. et al. "Quantum dot fabrication process using strained epitaxial growth", патент США №5614435, 1997), описывающий метод получения квантовых точек, используя именно такой эпитаксиальный рост напряженных структур. Петрофф с соавторами описали метод получения квантовых точек, не требующий использования литографии. Метод включает осаждение на подложку материала, имеющего постоянную атомной решетки, отличающуюся от постоянной решетки подложки. Под воздействием внутренних напряжений, вызванных несоответствием постоянных атомной решетки, происходит самоформирование квантовых точек из осажденного материала. В процессе осаждения ведут наблюдение поверхности по дифракции отраженных высокоэнергетичных электронов, что позволяет прекратить рост, когда нужное количество квантовых точек сформируется. Осаждение может вестись как молекулярной эпитаксией, так и другими методами осаждения, такими как газофазная эпитаксия, металл-органическое химическое осаждение и т.п.The most common, perfect and technologically advanced are methods based on the self-formation of quantum dots in the process of heteroepitaxial film growth with a large mismatch between the constant lattices. At a certain critical thickness of the grown compressed film, a transition from two-dimensional to three-dimensional growth occurs (Stransky-Krastanov process). A known method of producing quantum dots, selected by the prototype (Petroff P. et al. "Quantum dot fabrication process using strained epitaxial growth", US patent No. 5614435, 1997), describing a method for producing quantum dots using just such an epitaxial growth of stressed structures. Petroff et al described a method for producing quantum dots that does not require the use of lithography. The method involves the deposition on a substrate of a material having an atomic lattice constant different from the lattice constant of the substrate. Under the influence of internal stresses caused by the mismatch of the atomic lattice constants, self-formation of quantum dots from the deposited material occurs. During the deposition process, the surface is observed by diffraction of the reflected high-energy electrons, which allows to stop the growth when the desired number of quantum dots is formed. Deposition can be carried out both by molecular epitaxy and other deposition methods, such as gas-phase epitaxy, metal-organic chemical deposition, etc.
Если постоянная атомной решетки материала, осаждаемого в процессе эпитаксиального роста, значительно (например, как для GaAs и InAs - 7%) отличается от постоянной решетки материала подложки, то только первые монослои осаждаются псевдоморфно, т.е. формируют напряженный слой с постоянной атомной решетки, соответствующей материалу подложки. После того как толщина осаждаемого слоя превышает критическую, значительные напряжения в растущем слое приводят к спонтанному формированию случайно расположенных бугорков InAs (переход от двумерного роста к трехмерному - процесс Странского-Крастанова). Поскольку ширина запрещенной зоны InAs значительно меньше, чем в GaAs, то в случае InAs островков на GaAs подложке эти структуры представляют собой квантовые потенциальные ямы для носителей заряда - квантовые точки.If the atomic lattice constant of the material deposited during epitaxial growth significantly (for example, as for GaAs and InAs — 7%) differs from the lattice constant of the substrate material, then only the first monolayers are deposited pseudomorphically, i.e. form a stress layer with a constant atomic lattice corresponding to the substrate material. After the thickness of the deposited layer exceeds the critical one, significant stresses in the growing layer lead to the spontaneous formation of randomly located InAs tubercles (the transition from two-dimensional to three-dimensional growth is the Stransky-Krastanov process). Since the InAs band gap is much smaller than in GaAs, in the case of InAs islands on a GaAs substrate, these structures are quantum potential wells for charge carriers — quantum dots.
Недостатки методов в том, что квантовые точки, получаемые данным методом, формируются главным образом независимо друг от друга и поэтому расположены нерегулярно в случайном месте подложки и всегда варьируют в некоторой степени по размеру. Необходимо повышение их однородности, упорядоченности и поверхностной концентрации. Кроме того, энергетический барьер в таких квантовых точках мал, и для проявления размерного квантования необходимы низкие температуры.The disadvantages of the methods are that the quantum dots obtained by this method are formed mainly independently of each other and therefore are located irregularly in a random place on the substrate and always vary to some extent in size. It is necessary to increase their uniformity, orderliness and surface concentration. In addition, the energy barrier at such quantum dots is small, and low temperatures are necessary for the manifestation of dimensional quantization.
Техническим результатом изобретения является создание более эффективной технологии изготовления квантовых объектов; расширение диапазона используемых материалов; улучшение характеристик получаемых элементов - увеличение квантового барьера; возможность одновременно контролировать механические и электрические свойства объектов; возможность точного позиционирования единичных и массивов квантовых точек и элементов квантовых приборов; возможность прецизионно задавать размеры квантовых объектов.The technical result of the invention is the creation of a more efficient manufacturing technology of quantum objects; expanding the range of materials used; improving the characteristics of the resulting elements - an increase in the quantum barrier; the ability to simultaneously control the mechanical and electrical properties of objects; the ability to accurately position individual and arrays of quantum dots and elements of quantum devices; the ability to accurately set the size of quantum objects.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления квантовых объектов (точек, проволок и элементов квантовых приборов), включающем выращивание напряженной пленки из материала, имеющего постоянную кристаллической решетки, большую, чем материал подложки, толщина напряженной пленки меньше критической и пленка выращивается псевдоморфной, а между напряженной пленкой и подложкой выращивается жертвенный слой, который затем селективно удаляется под заданной областью пленки, что освобождает часть пленки от связи с подложкой, и эта часть выпучивается или гофрируется, в результате чего меняется напряжение в пленке, что в свою очередь вызывает сдвиг дна зоны проводимости (вершины валентной зоны), приводящий к формированию локальной потенциальной ямы для носителей.The technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing quantum objects (dots, wires and elements of quantum devices), which includes growing a strained film from a material having a crystal lattice constant greater than the substrate material, the thickness of the strained film is less than critical and the film is grown pseudomorphic, and between the strained film and the substrate, a sacrificial layer is grown, which is then selectively removed under a predetermined region of the film, which frees part of the film from communication with the substrate, and this part is bulging or corrugating, as a result of which the voltage in the film changes, which in turn causes a shift in the bottom of the conduction band (the top of the valence band), which leads to the formation of a local potential well for carriers.
Напряженная пленка состоит из нескольких слоев разных веществ. Напряженная пленка состоит из слоя с преимущественным нахождением носителей заряда и слоя практически без носителей заряда. В качестве напряженной пленки используется многослойная структура из двух или более напряженных слоев, разделенных жертвенными слоями, и затем осуществляется частичное удаление жертвенных слоев.A strained film consists of several layers of different substances. A stressed film consists of a layer with a predominant location of charge carriers and a layer with practically no charge carriers. As a strained film, a multilayer structure of two or more strained layers separated by sacrificial layers is used, and then partial removal of the sacrificial layers is carried out.
Подчеркнем отличие нашего подхода получения квантоворазмерных объектов от стандартного. Обычно квантовые точки формируются, используя переход от двумерного роста к трехмерному (процесс Странского-Крастанова). Недостатки такого способа проанализированы в работе Кремера (Н.Kroemer, Inst. Phys. Conf. Ser. 166, 2000) и показана невозможность создания им отдельных прецизионных квантовых точек. С термодинамической точки зрения идеальный вариант создания квантовых точек должен быть основан на выращивании однородных пленок с последующим их структурированием. В нашем подходе используется именно эта последовательность, причем на этапах разборки и сборки структур используются процессы самоформирования.We emphasize the difference between our approach to obtaining quantum-sized objects from the standard one. Typically, quantum dots are formed using the transition from two-dimensional growth to three-dimensional (Stransky-Krastanov process). The disadvantages of this method are analyzed in the work of Kremer (N. Kroemer, Inst. Phys. Conf. Ser. 166, 2000) and the impossibility of creating separate precision quantum dots by him is shown. From a thermodynamic point of view, the ideal option for creating quantum dots should be based on the growth of homogeneous films with their subsequent structuring. Our approach uses precisely this sequence, and at the stages of disassembling and assembling structures, self-formation processes are used.
На фиг.1 изображена схематичная иллюстрация метода изготовления простейшей тонкопленочной наногофрированной структуры: (а) - слой InAs в свободном состоянии. Латеральные размеры слоя превышают размеры подложки InP вследствие того, что постоянная решетки InAs больше постоянной решетки InP; (b) - в гетероструктуре InAs/AlAs/InP решетка InAs продолжает решетку массивной подложки (явление псевдоморфизма), вследствие чего слой InAs сжат, деформация приблизительно 3.1%; (с) - выпучивание (гофрировка) сжатого слоя InAs в результате упругой релаксации напряжений при его частичном удалении жертвенного слоя AlAs и освобождении сжатого слоя InAs от подложки.Figure 1 shows a schematic illustration of a method for manufacturing the simplest thin-film nano-corrugated structure: (a) an InAs layer in a free state. The lateral dimensions of the layer exceed the dimensions of the InP substrate due to the fact that the InAs lattice constant is larger than the InP lattice constant; (b) - in the InAs / AlAs / InP heterostructure, the InAs lattice continues the lattice of a massive substrate (pseudomorphism phenomenon), as a result of which the InAs layer is compressed, the strain is approximately 3.1%; (c) - buckling (corrugation) of a compressed InAs layer as a result of elastic stress relaxation during its partial removal of the sacrificial AlAs layer and release of the compressed InAs layer from the substrate.
Фиг.2. а) Геометрическая форма упругой пленки, испытывающей биаксиальное сжатие в закритической области. Расчет проводился для InAs пленки, выращенной на InP подложке и локально освобожденной от нее пленки InAs толщиной 4 нм. Несоответствие постоянных решеток у InAs и InP равно 3.2%. По осям OX и OY отложены геометрические размеры освобожденной пленки в плане, а по оси OZ - величина отклонения пленки от подложки, б) Форма первого инварианта тензора упругих механических напряжений, возникающих в срединной плоскости этой же упругой пленки. с) Показано изменение положения энергии зон проводимости Г, L и Х минимумов и валентных зон тяжелых и спин-орбитально расщепленных дырок вдоль прямой, проходящей через центр выпучивания. По оси OY отложена энергия, отсчитываемая от уровня вакуума.Figure 2. a) The geometric shape of an elastic film experiencing biaxial compression in the supercritical region. The calculation was performed for an InAs film grown on an InP substrate and a 4 nm thick InAs film locally freed from it. The lattice mismatch between InAs and InP is 3.2%. The OX and OY axes show the geometrical dimensions of the freed film in the plan, and the OZ axis shows the deviation of the film from the substrate, b) The shape of the first invariant of the tensor of elastic mechanical stresses arising in the middle plane of the same elastic film. c) The change in the position of the energy of the conduction bands Г, L, and Х of the minima and the valence bands of heavy and spin-orbit split holes along a straight line passing through the buckling center is shown. The OY axis represents the energy measured from the vacuum level.
Фиг.3. а) схема и б) фотография гофрированного края пленки.Figure 3. a) scheme and b) photograph of the corrugated edge of the film.
Фиг.4. а) схема и б) фотография полоски пленки, гофрированной с обоих краев. Хорошо видны процессы упругого взаимодействия гофрировок и взаимной корреляции.Figure 4. a) scheme and b) photograph of a strip of film corrugated from both edges. The processes of elastic interaction of corrugations and cross-correlation are clearly visible.
На фиг.5 схематично показан ход потенциала (изменение зоны проводимости) вдоль напряженной гофрированной пленки. Над графиками схематично изображена гофрированная пленка, а) для пленки, состоящей из двух веществ, с одним верхним проводящим и нижним изолирующим слоем, б) для пленки, состоящей из одного вещества.Figure 5 schematically shows the course of the potential (change in the conduction band) along the strained corrugated film. A corrugated film is schematically shown above the graphs, a) for a film consisting of two substances with one upper conductive and lower insulating layer, b) for a film consisting of one substance.
Фиг.6. Электронно-микроскопические изображения поперечных сечений гофрированных InGaAs пленок:6. Electron microscopic images of cross sections of corrugated InGaAs films:
(а) свободная гофрировка;(a) free corrugation;
(б) гофрировка, амплитуда которой ограничена между подложкой и верхним слоем. В этой структуре напряженный слой InGaAs выращен между двумя жертвенными AlAs слоями (светлые области), подложка и верхний слой - GaAs; селективное удаление части жертвенных слоев приводит к гофрировке InGaAs слоя;(b) corrugation, the amplitude of which is limited between the substrate and the upper layer. In this structure, a strained InGaAs layer is grown between two sacrificial AlAs layers (light regions), the substrate and the upper layer are GaAs; selective removal of part of the sacrificial layers leads to corrugation of the InGaAs layer;
(в) сложная гофрированная система, в которой напряженный слой InGaAs выращен между двумя жертвенными AlAs слоями и гофрирование напряженного слоя InGaAs ограничено сверху менее напряженным слоем InGaAs. На нижней фотографии изображена структура, представляющая собой периодически чередующиеся расщепленные и нерасщепленные области (квантовые барьеры и ямы) трехслойной пленки;(c) a complex corrugated system in which a strained InGaAs layer is grown between two sacrificial AlAs layers and the corrugation of a strained InGaAs layer is bounded from above by a less stressed InGaAs layer. The bottom photo shows the structure, which is periodically alternating split and non-split regions (quantum barriers and pits) of a three-layer film;
1 - подложка, 2 - жертвенный слой, 3 - напряженная пленка, 4 - ограничивающий слой.1 - substrate, 2 - sacrificial layer, 3 - strained film, 4 - bounding layer.
Фиг.7. Фотографии тонеллеподобных самосформированных периодически гофрированных SiGe и InGaAs пленок с разными периодами гофрировки.7. Photographs of tonelike self-formed periodically corrugated SiGe and InGaAs films with different corrugation periods.
Подход основан на использовании процессов самоформирования, происходящих при частичном отсоединении от подложки сжатых пленок. Современная эпитаксия позволяет из отдельных монослоев монослой за монослоем создавать сложные гетероструктуры из полупроводников, GaAs, InAs, AlAs, Si, Ge, GaP, GaSb, InSb, GaN, InN и т.д., твердых растворов на их основе, металлов, диэлектриков. Возможно выращивание как полупроводниковых гетероструктур, так и гибридных: металл-полупроводник, полупроводник-диэлектрик. Уникальной особенностью эпитаксиальных напряженных пленок является возможность достижения гигантских внутренних напряжений (деформаций). Зная несоответствие параметров решетки материалов и имея возможность выращивать твердые растворы, можно строго задавать упругие напряжения в гетерослоях в диапазоне от 0 до 10 ГПа (псевдоморфные слои). Внутреннее механическое напряжение задается тем, что гетероструктура формируется из монокристаллических материалов, имеющих различные постоянные решетки. При выращивании такой гетероструктуры на толстой монокристаллической подложке кристаллические решетки материалов подстраиваются друг под друга и решетку подложки. При этом происходит упругая деформация слоев гетероструктуры - слой из материала с большей постоянной решетки сжимается. Так, несоответствие параметров решетки InAs/GaAs Δа/а=7,2%, для Si/Ge Δа/а=4%, GaP/InAs Δа/а=11%. Поэтому слой InGaAs на подложке GaAs и слой SiGe на подложке Ge в исходном состоянии сжаты. Важно отметить, что молекулярные слои, выращенные таким образом, могут быть контролируемо расположены на заданном расстоянии друг от друга и иметь строго заданное несоответствие параметров решетки, т.е. заданную упругую деформацию.The approach is based on the use of self-formation processes that occur during partial disconnection of compressed films from the substrate. Modern epitaxy allows one to create complex heterostructures from semiconductors, GaAs, InAs, AlAs, Si, Ge, GaP, GaSb, InSb, GaN, InN, etc., solid solutions based on them, metals, dielectrics, from individual monolayers monolayer after monolayer. It is possible to grow both semiconductor heterostructures and hybrid ones: metal-semiconductor, semiconductor-dielectric. A unique feature of epitaxial strained films is the ability to achieve gigantic internal stresses (strains). Knowing the mismatch of the lattice parameters of materials and being able to grow solid solutions, one can strictly set the elastic stresses in heterolayers in the range from 0 to 10 GPa (pseudomorphic layers). The internal mechanical stress is determined by the fact that the heterostructure is formed from single-crystal materials having various lattice constants. When such a heterostructure is grown on a thick single-crystal substrate, the crystal lattices of the materials adjust to each other and to the substrate lattice. In this case, elastic deformation of the heterostructure layers occurs - a layer of material with a greater lattice constant is compressed. Thus, the mismatch of the InAs / GaAs lattice parameters is Δa / a = 7.2%, for Si / Ge, Δa / a = 4%, and GaP / InAs Δa / a = 11%. Therefore, the InGaAs layer on the GaAs substrate and the SiGe layer on the Ge substrate are compressed in the initial state. It is important to note that molecular layers grown in this way can be controllably located at a given distance from each other and have a strictly specified mismatch of the lattice parameters, i.e. specified elastic deformation.
Метод отделения ультратонких напряженных пленок от связи с подложкой основан на выращивании между напряженной гетероструктурой и подложкой жертвенного слоя (жертвенный слой должен состоять из вещества, которое можно удалить селективно относительно вещества напряженной пленки) и его последующем селективном удалении. Для доступа травителя к жертвенному слою в гетероструктуре формируют, например, с помощью литографии окна, сквозь которые травитель проникает к жертвенному слою и осуществляет селективное направленное боковое травление. При селективном удалении расположенного между двухслойной пленкой и подложкой жертвенного слоя гетеропленка освобождается от связи с подложкой. Межатомные силы в сжатом слое стремятся увеличить расстояние между атомами. При этом линейные размеры пленки увеличиваются, что приводит к изгибу-выпучиванию пленки (фиг.1).The method of separating ultrathin strained films from the bond with the substrate is based on growing between the strained heterostructure and the substrate a sacrificial layer (the sacrificial layer should consist of a substance that can be removed selectively relative to the substance of the strained film) and its subsequent selective removal. To access the etchant to the sacrificial layer in the heterostructure, for example, windows are formed using lithography, through which the etchant penetrates the sacrificial layer and performs selective directional side etching. Upon selective removal of the sacrificial layer located between the two-layer film and the substrate, the heterofilm is released from communication with the substrate. The interatomic forces in a compressed layer tend to increase the distance between atoms. In this case, the linear dimensions of the film increase, which leads to bending-bulging of the film (figure 1).
Плоская форма сжатой пленки неустойчива и при отсоединении от подложки пленка стремится приобрести форму с минимальной энергией упругой деформации, приобретает выпуклую или гофрированную форму, образовывая одиночные или периодические структуры. Для определения формы освобожденной пленки и деформаций в пленке нужно, строго говоря, решать задачу теории упругости для оболочек, которая в случае больших деформаций сводится к решению сложных нелинейных дифференциальных уравнений Феппля - фон Кармана. Из эксперимента для наногофрированных структур и теории упругости для макрогофрированных известно, что их форма близка к синусоиде. Амплитуду этой синусоиды легко оценить. Упрощенную последовательность формирования выпуклой InAs пленки, освобожденной от связи с InP подложкой в локальной области длиной L, схематично иллюстрирует фиг.1. Исходная сжатая пленка при ее освобождении от связи с подложкой упруго релаксирует, увеличивая свою длину, и выпучивается с амплитудой А, которая зависит от длины L и несоответствия постоянных решеток Δа/а:The flat shape of the compressed film is unstable, and when detached from the substrate, the film tends to acquire a shape with a minimum energy of elastic deformation, acquires a convex or corrugated shape, forming single or periodic structures. To determine the shape of the liberated film and the strains in the film, it is necessary, strictly speaking, to solve the problem of the theory of elasticity for shells, which in the case of large strains reduces to solving complex nonlinear Feppl - von Karman differential equations. From the experiment for nano-corrugated structures and the theory of elasticity for macro-corrugated, it is known that their shape is close to a sinusoid. The amplitude of this sinusoid is easy to estimate. The simplified sequence of formation of a convex InAs film freed from bond with an InP substrate in a local region of length L is schematically illustrated in FIG. When it is released from the bond with the substrate, the initial compressed film relaxes elastically, increasing its length, and bulges out with an amplitude A, which depends on the length L and the mismatch of the constant lattices Δa / a:
при Δа/а=5% амплитуда выпуклой области составляет примерно треть от длины.at Δa / a = 5%, the amplitude of the convex region is about a third of the length.
В отсоединяемой пленке однородное напряжение преобразуется в неоднородные области локального растяжения и сжатия. При локальном отсоединении данных сжатых пленок от подложки пленки выпучиваются, удлиняются и сбрасывают упругие напряжения. При этом, разница напряжений в областях пленки, локально отсоединенных от подложки и связанных с подложкой, может достигать 10 ГПа. При изгибе внешние слои пленки растягиваются, внутренние сжимаются, что существенно изменяет ширину запрещенной зоны в данных областях (фиг.2а). Оценить возникающую деформацию ε и изменение ширины запрещенной зоны ΔЕ можно исходя из простых геометрических соображений. Деформация изогнутой пленки с радиусом изгиба R равна разности длин внешней и внутренней окружностей (2πR1-2πR2)/2πR=d/R=ε. При этом в тонких пленках деформация может достигать величины до 10%. Такая гигантская деформация существенно изменяет ширину запрещенной зоны в месте изгиба, создавая потенциальную яму. Напряжения сжатия и растяжения в местах изгиба пленки в гофрированных структурах вызывают локальные сдвиги краев зон, изменение ширины запрещенной зоны, следовательно, формируют потенциальные ямы и барьеры нанометровых размеров. Размер квантовой точки существенно меньше, чем размер отсоединяемой области пленки, за счет того, что минимум потенциальной энергии локализуется точно в вершине - в центре отсоединенной области. Как показали расчеты, при периодах гофрировки свыше 100 нм электронные состояния локализованы в отдельных ямах. При уменьшении периода система может рассматриваться как система взаимодействующих квантовых точек. Энергетическое положение уровней изменяется в зависимости от толщины пленки и периода гофрировки.In a detachable film, uniform stress is transformed into inhomogeneous regions of local tension and compression. When locally disconnecting these compressed films from the substrate, the films bulge, lengthen, and release elastic stresses. In this case, the voltage difference in the regions of the film locally disconnected from the substrate and connected with the substrate can reach 10 GPa. When bending, the outer layers of the film are stretched, the inner are compressed, which significantly changes the band gap in these areas (figa). It is possible to evaluate the resulting strain ε and the change in the band gap ΔЕ based on simple geometric considerations. The deformation of a bent film with a bending radius R is equal to the difference between the lengths of the outer and inner circles (2πR 1 -2πR 2 ) / 2πR = d / R = ε. Moreover, in thin films, the deformation can reach values up to 10%. Such a giant deformation significantly changes the band gap at the bend, creating a potential well. Compression and tensile stresses in the places of film bending in corrugated structures cause local shifts of the edges of the bands, a change in the band gap, and, therefore, form potential wells and nanometer-sized barriers. The size of the quantum dot is significantly smaller than the size of the detachable region of the film, due to the fact that the minimum potential energy is localized exactly at the vertex - in the center of the disconnected region. As calculations showed, for corrugation periods above 100 nm, the electronic states are localized in individual wells. When the period decreases, the system can be considered as a system of interacting quantum dots. The energy position of the levels varies depending on the film thickness and the corrugation period.
Глубину потенциальной ямы можно оценить, используя зависимость между деформацией (ε=Δ1/1) и вызываемые ею изменения дна зоны проводимости. Изменения ширины запрещенной зоны ΔE (в простейшем случае) связаны с деформацией ε и величиной деформационного потенциала ас соотношением ΔE=εас.The depth of the potential well can be estimated using the relationship between the deformation (ε = Δ1 / 1) and the changes in the bottom of the conduction band caused by it. Changes in the band gap ΔE (in the simplest case) are associated with the strain ε and the value of the strain potential a with the relation ΔE = εа с .
ΔЕс=асΔ1/1=асd/RΔE s = a s Δ1 / 1 = a s d / R
Δ1/1=d/RΔ1 / 1 = d / R
где ac - деформационный потенциал, R - радиус кривизны, d - толщина пленки.where a c is the deformation potential, R is the radius of curvature, d is the film thickness.
При толщине пленки в 1 нм и радиусе изгиба 10 нм, при величине деформационного потенциала 8 eV глубина ямы - 0,8 eV. При такой глубокой яме и характерных размерах 1 нм квантовые явления будут наблюдаться и при комнатной температуре (длина волны де-Бройля 80 нм для InAs). Таким образом, переход к более тонким пленкам приводит к качественным изменениям - потенциальная яма углубляется и сужается, так как можно использовать более напряженную пленку. Тонкие пленки могут быть выращены с большей величиной деформации (псевдоморфные). Для системы InGaAs на GaAs: при толщине 2 монослоя максимальная деформация - 7,2% (чистый InAs на GaAs), при толщине 4 монослоя максимальная деформация - 4% (In0,4Ga0,6As на GaAs).With a film thickness of 1 nm and a bend radius of 10 nm, with a strain potential of 8 eV, the well depth is 0.8 eV. With such a deep well and a characteristic size of 1 nm, quantum phenomena will also be observed at room temperature (the de Broglie wavelength is 80 nm for InAs). Thus, the transition to thinner films leads to qualitative changes - the potential well deepens and narrows, since a more strained film can be used. Thin films can be grown with a larger strain (pseudomorphic). For the InGaAs system on GaAs: with a thickness of 2 monolayers, the maximum deformation is 7.2% (pure InAs on GaAs), with a thickness of 4 monolayers, the maximum deformation is 4% (In 0.4 Ga 0.6 As on GaAs).
Созданы периодически гофрированные наноструктуры на основе сверхтонких напряженных полупроводниковых и металлических пленок и гетеропленок (InAs, InP, InSb, InGaAs/GaAs, SiGe/Si и т.д.).Periodically corrugated nanostructures based on ultrathin strained semiconductor and metal films and heterofilms (InAs, InP, InSb, InGaAs / GaAs, SiGe / Si, etc.) are created.
Выпучивания освобожденной от подложки пленки могут быть как одиночными, так и периодическими, в зависимости от области удаленного жертвенного слоя. Если делать точечное окно для доступа травителя к жертвенному слою, то жертвенный слой травится вокруг, и пленка выпучивается в виде одиночного купола. Один из вариантов - на подложке GaAs молекулярной эпитаксией выращивали жертвенный слой AlAs и напряженный слой InGaAs. Как правило, верхний напряженный слой содержал некоторое количество дефектов. Через точечные дефекты в верхнем слое обеспечивается доступ травителя к жертвенному слою AlAs, который растворяется в травителе, содержащем плавиковую кислоту. При травлении в растворе HF растворяются участки жертвенного слоя вокруг точечных дефектов, таким образом часть верхней напряженной пленки InGaAs освобождается от связи с подложкой, напряженная пленка релаксирует и выгибается в виде бугра-купола (фиг.3а).The buckling of the film freed from the substrate can be either single or periodic, depending on the region of the removed sacrificial layer. If you make a point window for the etchant to access the sacrificial layer, then the sacrificial layer is etched around, and the film is bulging in the form of a single dome. One of the options is that a sacrificial AlAs layer and a strained InGaAs layer were grown on a GaAs substrate by molecular epitaxy. As a rule, the upper stressed layer contained a number of defects. Through point defects in the upper layer, the etchant is accessible to the AlAs sacrificial layer, which dissolves in the etchant containing hydrofluoric acid. During etching, sections of the sacrificial layer around point defects dissolve in the HF solution, thus a part of the upper InGaAs strained film is freed from bonding to the substrate, the strained film relaxes and bends in the form of a dome-hill (Fig. 3a).
В таких квантовых структурах существенную роль будет играть квантование, вызванное толщиной пленки. При толщинах пленок в несколько монослоев Х электронные состояния вследствие большей эффективной массы и эффектов квантования опускаются ниже Г электронных состояний, т.е. полупроводник из прямозонного становится непрямозонным. Даже без учета квантования по толщине Х минимумы зоны проводимости сильно опускаются за счет деформации. При этом, тогда как для пленки толщиной 4 нм Х минимумы в направлении сжатия смещаются примерно на 0.5 эВ, Х минимумы, перпендикулярные сжатию, только на 0.1 эВ. Наличие деформаций приводит к увеличению значения критической толщины пленки, при которой происходит изменение типа полупроводника из прямозонного в непрямозонный. Более того, деформирование структуры по направлениям <111>, а не <100>, приведет к тому, что дно зоны проводимости будет формироваться L минимумами (фиг.3с). Таким образом, методом самоформирования можно получать трехмерные свободностоящие квантовые структуры, электронные свойства которых можно варьировать в широком диапазоне.In such quantum structures, quantization caused by the film thickness will play an important role. For film thicknesses of several monolayers X, electronic states, due to a larger effective mass and quantization effects, fall below T electronic states, i.e. semiconductor from direct-gap becomes indirect-gap. Even without quantization over thickness X taken into account, the minima of the conduction band are strongly lowered due to deformation. Moreover, while for a 4-nm-thick film, X minima in the compression direction shift by about 0.5 eV, X minima perpendicular to the compression only by 0.1 eV. The presence of deformations leads to an increase in the critical film thickness at which the semiconductor type changes from direct to indirect. Moreover, deformation of the structure along the directions <111>, and not <100>, will lead to the fact that the bottom of the conduction band will be formed by L minima (Fig. 3c). Thus, by the method of self-formation, one can obtain three-dimensional free-standing quantum structures whose electronic properties can be varied over a wide range.
Если делать окно для доступа травителя к жертвенному слою в виде линии, то жертвенный слой удаляется вдоль этой линии, и освобожденный край напряженной пленки гофрируется.If you make a window for the etchant to access the sacrificial layer in the form of a line, then the sacrificial layer is removed along this line, and the freed edge of the strained film is corrugated.
Для А3В5 структур. На GaAs (100) подложке с помощью молекулярной эпитаксии выращивали структуру: жертвенный слой AlAs 10 нм, напряженный сжатый слой In0,2Ga0,8As 8 нм. С помощью литографии делали литографические окна в виде линий и через них удаляли верхний слой, чтобы обеспечить доступ селективного травителя к жертвенному слою AlAs. Селективное травление выполняли в 5% водном растворе плавиковой кислоты (HF). Травитель через окна проникал к жертвенному слою AlAs и растворял его, напряженный сжатый слой InGaAs освобождался от связи с подложкой и расширялся, в результате чего происходило выпучивание освобожденных участков слоя InGaAs. Поскольку, в данном случае, толщина жертвенного слоя меньше равновесной амплитуды гофрировки, то гофрированная пленка снизу касалась подложки (фиг.4).For A3B5 structures. A structure was grown on a GaAs (100) substrate using molecular epitaxy: a 10 nm AlAs sacrificial layer, a strained compressed In 0.2 Ga 0.8 As 8 nm layer. Using lithography, lithographic windows were made in the form of lines, and the upper layer was removed through them to provide selective etching access to the AlAs sacrificial layer. Selective etching was performed in a 5% aqueous solution of hydrofluoric acid (HF). The etchant penetrated through the windows to the AlAs sacrificial layer and dissolved it, the strained compressed InGaAs layer was released from the bond with the substrate and expanded, as a result of which the released portions of the InGaAs layer were swollen. Since, in this case, the thickness of the sacrificial layer is less than the equilibrium amplitude of the corrugation, the corrugated film from the bottom touched the substrate (figure 4).
На кремниевой подложке (100) выращивали эпитаксиальную структуру - р+ Si0,6Ge0,4 - 8 нм. Жертвенным слоем служит сама подложка, так как сильно легированный р+ кремний/германий практически не травится в аммиачных травителях. С помощью литографии оставляли полосы напряженной пленки. При травлении в растворе аммиака материал подложки, незащищенный верхней пленкой, удалялся, при этом полоска SiGe пленки остается свободно висящей и закрепленной на остатке подложки под центром полосы. Так как пленка SiGe была первоначально сжатой, то теперь в свободном от подложки состоянии она расширяется и выпучивается, принимает равновесную форму гофрировки синусоидальной формы (фиг.5). Хорошо видно, что максимумы (выпуклости) одной расположены напротив минимумов другой.An epitaxial structure of p + Si 0.6 Ge 0.4 - 8 nm was grown on a silicon substrate (100). The substrate itself serves as a sacrificial layer, since heavily doped p + silicon / germanium practically does not etch in ammonia etchers. Using lithography, bands of a strained film were left. When etched in an ammonia solution, the substrate material that was not protected by the upper film was removed, while the SiGe strip of the film remained free-hanging and fixed on the remainder of the substrate under the center of the strip. Since the SiGe film was initially compressed, now in a state free from the substrate, it expands and bulges, takes the equilibrium shape of the corrugation of a sinusoidal shape (Fig. 5). It is clearly seen that the maxima (convexities) of one are opposite the minima of the other.
В случае с толстым жертвенным слоем или когда жертвенным слоем является подложка, гофрированная пленка находится в свободном состоянии, т.е. не касается подложки, форма гофрированной пленки является равновесной. Период и амплитуда однозначно определяются толщиной пленки, внутренними напряжениями в пленке и шириной полоски, освобожденной от связи с подложкой. Толщина и напряженность пленки прецизионно задаются в процессе роста-осаждения, так в процессе эпитаксиального роста толщина пленки контролируется и задается с точностью до атомного монослоя. Напряженность пленки определяется разницей в постоянных атомной решетки пленки и подложки, что определяется составом осаждаемой пленки, который также чрезвычайно точно задается в процессе роста. Ширина полоски пленки, освобожденной от связи с подложкой, определяется временем травления жертвенного слоя и составом используемого травителя, что также задается весьма точно.In the case of a thick sacrificial layer or when the substrate is a sacrificial layer, the corrugated film is in a free state, i.e. does not touch the substrate, the shape of the corrugated film is in equilibrium. The period and amplitude are uniquely determined by the film thickness, internal stresses in the film, and the width of the strip, freed from bond with the substrate. The thickness and tension of the film are precisely set in the process of growth-deposition, so in the process of epitaxial growth, the film thickness is controlled and set up to an atomic monolayer. The film tension is determined by the difference in the atomic lattice constants of the film and the substrate, which is determined by the composition of the deposited film, which is also extremely accurately set during the growth process. The width of the strip of the film, freed from communication with the substrate, is determined by the etching time of the sacrificial layer and the composition of the used etchant, which is also very accurately specified.
Отсоединенная от подложки сжатая пленка может быть как однослойной, так и многослойной. Для того чтобы увеличить глубину энергетического барьера у получаемых квантовых точек, использовали вместо напряженной пленки - напряженную бипленку, состоящую из веществ с разной шириной запрещенной зоны. Тогда электроны локализуются в основном в слое более узкозонного материала. Наиболее наглядно роль гофрировки иллюстрируется для случая бипленки с одним проводящим (верхним на фиг.5б) и изолирующим слоями. Очевидно, что проводящий слой в областях 1 пленки растянут, а в 2 сжат, причем при малом радиусе изгиба эти деформации могут достигать предельных величин, а соответственно, вызывать большие сдвиги краев зон, причем в противоположных направлениях в областях 1 и 2 (фиг.2б). Таким образом, при переходе в нанометровую область гофрированная система представляет собой периодические потенциальные ямы достаточно большой глубины.The compressed film detached from the substrate can be either single-layer or multi-layer. In order to increase the depth of the energy barrier at the obtained quantum dots, instead of a strained film, a strained biplenka consisting of substances with different bandgaps was used. Then the electrons are localized mainly in a layer of a narrower-gap material. The role of corrugation is most clearly illustrated for the case of biplane with one conductive (top in Fig.5b) and insulating layers. It is obvious that the conductive layer is stretched in
Например, на кремниевой подложке методом химического осаждения из газовой фазы мы выращивали напряженную пленку Si0,5Ge0,5 10 нм, на нее наносили слой диэлектрика Si3N4 либо SiO2. При травлении в растворе аммиака материал подложки растворялся вокруг литографического окна, при этом полоска пленки SiGe/Si3Н4 остается свободно висящей и закрепленной на подложке только одной стороной, выпучивается и принимает равновесную форму гофрировки. В этом случае для расчета положения электронов слой диэлектрика можно не рассматривать, так как практически все свободные электроны расположены в слое SiGe. To есть квантовые точки (энергетические ямы) находятся в минимумах синусоиды гофрировки, так как именно там слой SiGe наиболее растянут.For example, on a silicon substrate, we used a chemical vapor deposition method to grow a strained Si 0.5 Ge 0.5 10 nm film, and a dielectric layer of Si 3 N 4 or SiO 2 was deposited on it. When etched in an ammonia solution, the substrate material was dissolved around the lithographic window, while the strip of the SiGe / Si 3 H 4 film remained free-hanging and fixed on the substrate with only one side, bulged and assumed an equilibrium shape of corrugation. In this case, to calculate the position of the electrons, the dielectric layer can not be considered, since almost all free electrons are located in the SiGe layer. That is, quantum dots (energy wells) are at the minima of the corrugation sinusoid, since it is there that the SiGe layer is most stretched.
На GaAs (100) подложке с помощью молекулярной эпитаксии выращивали структуру: жертвенный слой AlAs 20 нм, слой GaAs 3 нм, напряженный сжатый слой In0,3Ga0,7As 4 нм. С помощью литографии вскрывали окна до жертвенного слоя. Травление выполняли в 2% водном растворе HF в течение 10 секунд. Травитель через окна проникал к жертвенному слою AlAs и растворял его. Подтравливание происходило на глубину около 1 мкм от края литографического окна. Напряженный сжатый бислой GaAs/InGaAs освобождался от связи с подложкой и расширялся, принимал форму гофрировки. Поскольку ширина запрещенной зоны в GaAs больше, чем в InGaAs, то слой GaAs обеднен свободными электронами, и для того чтобы определить преимущественное расположение электронов, достаточно рассмотреть распределение напряжений в InGaAs. Слой InGaAs наиболее растянут в максимумах синусоиды гофрировки, следовательно, там располагаются энергетические ямы и в основном находятся свободные электроны (фиг.2б, фиг.4).A structure was grown on a GaAs (100) substrate using molecular epitaxy: a 20 nm AlAs sacrificial layer, a 3 nm GaAs layer, and a compressed compressed In 0.3 Ga 0.7 As 4 nm layer. Using lithography, windows were opened to the sacrificial layer. Etching was performed in a 2% aqueous HF solution for 10 seconds. The etchant penetrated through the windows to the sacrificial layer of AlAs and dissolved it. Etching occurred to a depth of about 1 μm from the edge of the lithographic window. The strained compressed GaAs / InGaAs bilayer was released from the bond with the substrate and expanded, took the form of corrugation. Since the band gap in GaAs is larger than in InGaAs, the GaAs layer is depleted in free electrons, and in order to determine the preferred arrangement of electrons, it suffices to consider the stress distribution in InGaAs. The InGaAs layer is most stretched at the maxima of the corrugation sinusoid, therefore, energy wells are located there and mostly free electrons are located (Fig.2b, Fig.4).
Для достижения прецизионности мы вводили ограничение на амплитуду гофрировок. Для этого на этапе молекулярной эпитаксии в структуру дополнительно вводятся расположенные выше и ниже на заданном расстоянии от напряженного слоя, ненапряженные слои, которые и ограничивают амплитуду фиг.6б. Подчеркнем, что поскольку молекулярная эпитаксия позволяет задавать толщину эпитаксиальных слоев, а соответственно, и расстояние между слоями с атомарной точностью, то получаемые вышеописанным способом гофрировки имеют прецизионный период и амплитуду.To achieve precision, we introduced a limitation on the amplitude of the corrugations. For this, at the stage of molecular epitaxy, unstressed layers located above and below at a given distance from the stressed layer are added to the structure, which limit the amplitude of Fig.6b. We emphasize that since molecular epitaxy allows you to specify the thickness of the epitaxial layers and, accordingly, the distance between the layers with atomic accuracy, the corrugations obtained by the above method have a precision period and amplitude.
Рассмотрим другой, обнаруженный нами способ самоформирования системы квантовых точек и барьеров. В основе способа лежит расщепление трехслойной пленки, содержащей два напряженных слоя, разделенных жертвенным слоем. Молекулярно-лучевой эпитаксией была выращена многослойная структура, состоящая из чередующихся сжатых и жертвенных слоев подложка/AlAs/InGaAs/AlAs/GaAs. На первом этапе в результате быстрого травления толстого жертвенного слоя AlAs происходит отсоединение от подложки и выпучивание сжатой InGaAs пленки и связанных с ней вышележащих слоев AlAs/GaAs. Образуется выпучивание с латеральным размером 700 нм. На втором этапе происходит расщепление изогнутой InGaAs/AlAs/GaAs пленки за счет вытравливания ее тонкого внутреннего слоя AlAs. Подчеркнем, что первичное и вторичное выпучивания скоррелированы, т.е. локализация вторичного происходит в максимуме первичного, т.к. именно здесь внутренние напряжения InGaAs пленки превышают пороговое. Видно, что отсоединившийся напряженный InGaAs слой упруго релаксирует и прижимается к подложке (фиг.6в). В подобных структурах с более тонким напряженным InGaAs слоем возможно образование периодичной цепочки вторичных выпучиваний (фиг.6в, фото снизу).Let us consider another method we discovered for self-formation of a system of quantum dots and barriers. The method is based on the splitting of a three-layer film containing two stressed layers separated by a sacrificial layer. A multilayer structure consisting of alternating compressed and sacrificial layers of the substrate / AlAs / InGaAs / AlAs / GaAs was grown by molecular beam epitaxy. At the first stage, as a result of rapid etching of a thick sacrificial AlAs layer, the compressed and InGaAs film and the overlying AlAs / GaAs layers associated with it are detached from the substrate and bulge. A bulge with a lateral size of 700 nm is formed. At the second stage, the bent InGaAs / AlAs / GaAs film is split due to the etching of its thin AlAs inner layer. We emphasize that the primary and secondary bulges are correlated, i.e. localization of the secondary occurs at the maximum of the primary, because it is here that the internal stresses of InGaAs films exceed the threshold. It is seen that the disconnected stressed InGaAs layer relaxes elastically and is pressed against the substrate (Fig.6c). In such structures with a thinner strained InGaAs layer, the formation of a periodic chain of secondary bulges is possible (Fig.6c, photo below).
В результате процессов самоорганизации образуется цепочка периодически расположенных "нерасщепленных" и "расщепленных" областей, толщина которых и соответственно уровни размерного квантования отличаются. Особенно большое отличие получается для тонких пленок. Энергия основного квантового уровня E1=h2/8mL2(n=1) и для пленки толщиной 4 ML равна 2 эВ, а для пленки толщиной 8 ML - 1 эВ. Это означает, что глубина потенциальной ямы для электрона для таких пленок значительна и достигает величины порядка 1 эВ, причем расщепленные области представляют собой квантовые барьеры, а расположенные между ними области трехслойной пленки - потенциальные ямы. Образуется цепочка ям и барьеров. Следует подчеркнуть, что образованные потенциальные ямы глубоки и локализованы в малых областях с размерами, меньшими, чем полупериод гофрировки, и меньшими, чем длина волны де Бройля (80 нм для InAs при комнатной температуре).As a result of self-organization processes, a chain of periodically located “unsplit” and “split” regions is formed, the thickness of which and, accordingly, the levels of dimensional quantization differ. A particularly large difference is obtained for thin films. The energy of the fundamental quantum level E 1 = h 2 / 8mL 2 (n = 1) is equal to 2 eV for a film with a thickness of 4 ML, and 1 eV for a film with a thickness of 8 ML. This means that the depth of the potential well for the electron for such films is significant and reaches a value of the order of 1 eV, and the split regions are quantum barriers, and the regions of the three-layer film between them are potential wells. A chain of pits and barriers is formed. It should be emphasized that the potential wells formed are deep and localized in small regions with sizes smaller than the corrugation half-period and smaller than the de Broglie wavelength (80 nm for InAs at room temperature).
Мы установили условия, при которых осуществляется переход в другой режим гофрирования. Если, начиная с какого-то этапа, удалять только тонкий жертвенный слой, не удаляя саму подложку, то образующаяся гофрировка окажется лежащей на подложке. Она уже не имеет возможности распространяться вниз в сторону подложки, в результате только прижимается к ней нижними выпуклостями. При этом формируется массив тоннелеподобных "ангаров" (фиг.7). Период этой конструкции совпадает с периодом свободных гофрировок, т.е. для того чтобы получить заданный период тоннелеподобной конструкции, необходимо сначала сформировать свободную гофрировку с заданным периодом. Длина "ангара" увеличивается по мере травления. При достижении некоторой критической длины прямолинейное распространение тоннеля нарушается, начинается зигзагообразное распространение. Причину этого легко понять, если учесть, что вдоль тоннеля напряженная сжатая пленка остается сжатой, причем энергия данной упругой деформации растет по мере удлинения тоннеля. Это приводит в итоге к образованию гофрированного зигзагообразного тоннеля. Данные зигзагообразные тоннели упруго взаимодействуют друг с другом. Например, они не соединяются, отражаются от препятствий, которым может быть другая гофрировка. Интересным эффектом является фазировка, т.е. две рядом расположенные гофрировки в результате упругого взаимодействия между ними приобретают одну и ту же фазу колебаний (колеблются синхронно). Тоннелеподобные зигзагообразные гофрировки могут распространяться на большие расстояния, длина в сотни раз больше, чем период. При параллельном их распространении они заполняют всю область поверхности (фиг.7). По аналогии со свободными гофрировками зигзагообразные тоннелеподобные гофрировки можно использовать для создания квантовых объектов. В вершинах тоннелей пленка растянута, таким образом, они представляют собой квантовые нити.We have established the conditions under which a transition to another corrugation mode is carried out. If, starting from some stage, only a thin sacrificial layer is removed without removing the substrate itself, then the corrugation formed will be lying on the substrate. It no longer has the ability to spread down towards the substrate, as a result, it is only pressed against it by the lower convexities. An array of tunnel-like "hangars" is formed (Fig. 7). The period of this design coincides with the period of free corrugations, i.e. in order to obtain a predetermined period of a tunnel-like structure, it is first necessary to form a free corrugation with a given period. The length of the "hangar" increases with etching. Upon reaching a certain critical length, the straight-line propagation of the tunnel is violated, a zigzag propagation begins. The reason for this is easy to understand, given that along the tunnel, the stressed compressed film remains compressed, and the energy of this elastic deformation increases as the tunnel lengthens. This ultimately leads to the formation of a corrugated zigzag tunnel. These zigzag tunnels resiliently interact with each other. For example, they do not connect, they are reflected from obstacles, which may be another corrugation. An interesting effect is phasing, i.e. two adjacent corrugations as a result of elastic interaction between them acquire the same oscillation phase (oscillate synchronously). Tunnel-like zigzag corrugations can spread over large distances, hundreds of times longer than a period. With their parallel distribution, they fill the entire surface area (Fig.7). By analogy with free corrugations, zigzag tunnel-like corrugations can be used to create quantum objects. At the tops of the tunnels, the film is stretched, so they are quantum threads.
Точность и периодичность расположения квантовых нитей и точек достигается за счет предельной точности задания толщины напыляемых пленок (используя молекулярно лучевую эпитаксию, толщина задается практически с точностью размера атома), а также за счет предельной точности задания напряжения пленке, которое определяется разницей в параметрах кристаллической решетки эпитаксиальных слоев и подложки, которая точно известна для разных веществ. Прецизионность в воспроизведении амплитуды и периода гофрировки обеспечивается тем, что периодичная форма пленки, при которой равновесная форма (собственная форма) достигается при минимуме упругой энергии, и отсутствуют внешние воздействия.The accuracy and frequency of the arrangement of quantum filaments and dots is achieved due to the extreme accuracy of specifying the thickness of the sprayed films (using molecular beam epitaxy, the thickness is set practically with the accuracy of the atom size), and also due to the extreme accuracy of specifying the voltage of the film, which is determined by the difference in the crystal lattice parameters of epitaxial layers and substrate, which is precisely known for different substances. Precision in reproducing the amplitude and the corrugation period is ensured by the fact that the periodic form of the film, in which the equilibrium form (proper form) is achieved with a minimum of elastic energy, and there are no external influences.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004133484/28A RU2278815C1 (en) | 2004-11-17 | 2004-11-17 | Method for producing quantum structures: quantum wires, quantum dots, components of quantum devices |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004133484/28A RU2278815C1 (en) | 2004-11-17 | 2004-11-17 | Method for producing quantum structures: quantum wires, quantum dots, components of quantum devices |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2004133484A RU2004133484A (en) | 2006-04-27 |
| RU2278815C1 true RU2278815C1 (en) | 2006-06-27 |
Family
ID=36655417
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004133484/28A RU2278815C1 (en) | 2004-11-17 | 2004-11-17 | Method for producing quantum structures: quantum wires, quantum dots, components of quantum devices |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2278815C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2404915C1 (en) * | 2009-10-26 | 2010-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Method of obtaining polymeric nanocomposite thick films and device for realising said method |
| RU2543696C2 (en) * | 2013-07-12 | 2015-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Солар Дотс" | Method of formation of array of quantum points of increased density |
| RU2572652C2 (en) * | 2010-07-30 | 2016-01-20 | Диаротек | Method for synthesis of material, in particular diamond, by chemical vapour deposition and device for thereof realisation |
| RU2676801C1 (en) * | 2017-10-02 | 2019-01-11 | Юрий Владимирович Горюнов | Method of obtaining lateral nanostructures |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5354707A (en) * | 1993-03-25 | 1994-10-11 | International Business Machines Corporation | Method of making semiconductor quantum dot light emitting/detecting devices |
| WO1996014656A2 (en) * | 1994-10-27 | 1996-05-17 | The Regents Of The University Of California | Quantum dot fabrication process using strained epitaxial growth |
| RU2179526C2 (en) * | 1999-11-29 | 2002-02-20 | Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН | Method of preparing solid-phase nanostructurizing materials |
-
2004
- 2004-11-17 RU RU2004133484/28A patent/RU2278815C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5354707A (en) * | 1993-03-25 | 1994-10-11 | International Business Machines Corporation | Method of making semiconductor quantum dot light emitting/detecting devices |
| WO1996014656A2 (en) * | 1994-10-27 | 1996-05-17 | The Regents Of The University Of California | Quantum dot fabrication process using strained epitaxial growth |
| RU2179526C2 (en) * | 1999-11-29 | 2002-02-20 | Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН | Method of preparing solid-phase nanostructurizing materials |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Reed M.A. et all. Spatial quantization in GaAs-AlGaAs multiple quantum dots. Journal Vacuum Science Technology, 4, 1986, 358. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2404915C1 (en) * | 2009-10-26 | 2010-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Method of obtaining polymeric nanocomposite thick films and device for realising said method |
| RU2572652C2 (en) * | 2010-07-30 | 2016-01-20 | Диаротек | Method for synthesis of material, in particular diamond, by chemical vapour deposition and device for thereof realisation |
| RU2543696C2 (en) * | 2013-07-12 | 2015-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Солар Дотс" | Method of formation of array of quantum points of increased density |
| RU2676801C1 (en) * | 2017-10-02 | 2019-01-11 | Юрий Владимирович Горюнов | Method of obtaining lateral nanostructures |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2004133484A (en) | 2006-04-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6667492B1 (en) | Quantum ridges and tips | |
| US7074498B2 (en) | Influence of surface geometry on metal properties | |
| US6465782B1 (en) | Strongly textured atomic ridges and tip arrays | |
| US9691847B2 (en) | Self-formation of high-density arrays of nanostructures | |
| JP2011519730A (en) | Superlattice / Quantum well nanowire | |
| US10541135B2 (en) | Source and drain formation using self-aligned processes | |
| KR101353373B1 (en) | A fabrication method of the vertically aligned silicon nano-structure used by metal-assisted chemical etching method, a vertically alligned silicon nano-structure fabricated by this method, and a device comprising the vertically alligned silicon nano-structure. | |
| Dragoman et al. | Atomic-scale electronics beyond CMOS | |
| RU2278815C1 (en) | Method for producing quantum structures: quantum wires, quantum dots, components of quantum devices | |
| Ono et al. | Fabrication and structure modulation of high-aspect-ratio porous GaAs through anisotropic chemical etching, anodic etching, and anodic oxidation | |
| Prinz et al. | Elastic silicon-film-based nanoshells: formation, properties, and applications | |
| US10666019B2 (en) | Semiconductor structure including a suspended membrane containing a central segment of structured thickness | |
| KR100855784B1 (en) | Method for changing the characteristics of the thin film and the substrate implementing the method | |
| Prinz et al. | Free-standing conductive GeSi/Si helical microcoils, micro-and nanotubes | |
| Seidl et al. | Postgrowth Shaping and Transport Anisotropy in Two-Dimensional InAs Nanofins | |
| KR101889352B1 (en) | Semicondutor device including strained germanium and method for manufacturing the same | |
| Vorob'ev et al. | Free-standing InAs/InGaAs microtubes and microspirals on InAs (100) | |
| US8624361B1 (en) | Self-formation of high-density defect-free and aligned nanostructures | |
| RU2267832C1 (en) | Method for manufacturing micro- and nanodevices on local substrates | |
| Prinz et al. | Application of controllable crack formation for nanoelectronic device elements fabrication | |
| Prinz et al. | Using of self-formed semiconductor micro-and nanotubes as a precise etch mask | |
| Kolobov | Ge nanostructures: average and local structure | |
| Morita et al. | Novel wafer-scale uniform layer-by-layer etching technology for line edge roughness reduction and surface flattening of 3D Ge channels | |
| WO2024226712A1 (en) | Strain engineering of membrane layers in heterostructures | |
| Placidi et al. | Inas epitaxy on gaas (001): A model case of strain-driven self-assembling of quantum dots |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20071118 |